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1、水利学报2002年5月SHUILIXUEBAO第5期文章编号:0559-9350(2002)05-0075-06渗透对基坑水土压力的影响111李广信,刘早云,温庆博(1.清华大学水利水电工程系北京100084)摘要:基坑地基土中水的渗流不但可能引起渗透破坏,引起水压力,而且也对其土压力有重大影响,从而决定抗滑稳定性.本文作者针对有上层滞水、一般自由渗透、有承压水、基坑内排水与基坑外降水以及有超静孔压等情况对基坑支护结构物上的水土压力进行计算分析,结果表明:水土压力大小及分布与静水时的明显不同,且此时较宜于用库伦土压力理
2、论.在有上层滞水情况下,用水土合算大体上是可以接受的.在有承压水情况下,其作为抗力的被动土压力可能丧失殆尽.基坑外人工降水与基坑内排水相比,更有利于基坑的稳定.正的超静孔压大大提高了土压力,负的超静孔压明显减少土压力.在很多有渗流的情况下,不宜用朗肯土压力计算土压力,而应当用库仑土压力理论的图解法来搜索可能滑裂面.关键词:基坑;水压力;土压力;渗流;渗透力中图分类号:TU476文献标识码:A随着我国大规模建筑基坑和地下工程的发展,支护结构设计计算中的许多问题逐步凸现出来.支[1～3]护结构水土压力计算得到越来越多的重视
3、和讨论.基坑水土压力计算常常采用朗肯和库伦土压力理论,其中朗肯理论由于其简便而被广泛使用.土中水的问题是土压力计算的难点,简单的水土合算与分算并不能解决实际工程中的复杂问题.土中水的存在状态有多种,而地下水存在的形态又有上层[4]滞水、潜水和承压水.在基坑开挖过程中,基坑的水常常处于流动状态.由于朗肯理论要求墙后土应力状态为一维情况,这样,在一些土中水为静水压力或者水压力为一维渗流情况下适用,但有平面渗流的情况就不适用.库伦土压力理论由于考虑土楔体的极限平衡,因而更为适用在有渗流的情况下[11]计算水土压力.当挡土墙墙
4、后水为二维渗流时,由于渗透力方向不全是竖直方向的,故朗肯理论不适用.这时朗肯理论与库伦理论计算的结果有很大的不同.水土压力的分布还受不同土层渗透系数的影响,当土层的渗透系数由大到小,或者由小到大,考虑渗透影响,其水土压力分布有很大的不同,这点在北京某些地区含地下水的土中表现特别明显.此外,渗透力方向的不同,将影响基坑的水土压力.挡土结构后面的土中存在二维分布的超静孔压时,此时不宜用朗肯理论而应用库伦土压力理论.[5-8]杨晓军、李广信等对基坑有渗流情况的水土压力进行了一些分析,本文将通过对基坑的几种工况和不同方法的计算
5、,对朗肯、库伦土压力理论在有渗流情况下的适用性进行分析和比较,对渗透系数不同的土层水土压力进行了计算,考虑到不同渗流方向,对同一个基坑采用基坑内外降水(轻型井点和明沟降水)对板桩墙水土压力的影响进行分析,并对挡土结构后面的土中存在二维分布的超静孔压的情况进行了计算和分析.收稿日期:2001-12-28基金项目:国家自然科学基金委员会和长江水利委员会联合资助项目(50099620)作者简介:李广信(1941-),男,黑龙江呼兰人,博士,教授.主要从事土的本构、土工合成材料和基础工程方面的研究.—75—1一维垂直渗流的水土
6、压力计算北京东部土层中往往有3层水,即潜水、滞水和承压水,由不同的土层组合而形成,基坑及基础常涉及到这3层水,由于不同土层组合,3层水的组合常常使水土压力的分布与静水时相比有所不同,有时甚至出现管涌流土现象.3算例1,各土层的γsat均为18kNm,摩擦角φ为30°,C值近似取为0,各土层垂直向下一维渗流,土层分布如图1所示,其中渗透系数k为相对值.考虑渗透力,土压力用朗肯土压力理论计算,计算基坑水土压力随深度变化如图2所示(图中实线为水压力,长划线为土压力,短划线为为水土总压力).在图2(a)中,粉土层中采用水土分算
7、,但由于垂直下渗,计算结果与水土合算相同.从图2(b)可见,不同渗透系数土层的分布导致水土压力的不同分布.可见在这种上层滞水情况下,简单地水土分算,即用γ′计算土压力加上静水压力,和简单的水土合算都是不合适的.图1土层的一维渗流情况(算例1)3算例2,如图3一维渗流的情况,设饱和容重γsat均为18.5kgm,摩擦角φ均为30°,粘土的粘聚力为5kPa.由于粘土上下均为渗透性较大的砂土,所以计算时可以考虑为沿板桩墙的垂直渗透.从图中可以看出,当上、下土层渗透系数如图所示,基坑的被动土压力将会显著的减小,抗力大大小于荷载
8、,且被动侧很容易发生流土破坏((γ′-iγw)γw=0.533),这将对基坑的稳定极为不利.图2不同土层的水土压力分布(算例1)图3一维渗流水土压力分布2二维渗流情况下基坑水土压力的计算3算例3,一基坑挡土结构如图4所示,该土层为正常固结土,饱和容重γsat=18.5kNm,粘聚力C=0,内摩擦角φ=30°,水头差■H=10m,基
